سیستم‌های ذخیره‌سازی سرما

آشكار است پیك بار در گرمترین روز سال، در تیرماه یا مردادماه در شبكه سراسری ایران روی می‌دهد، كه ناشی از كاركرد سیستم‌های برودتی همانند كولرها، یخچالهای خانگی و صنعتی، فریزرها، چیلرها، تونلهای انجماد و سردخانه‌هاست. بنابر آمار موجود نزدیك به ۳۰ درصد از كل مصرف انرژی در فصل تابستان صرف سرماسازی می‌شود. نابرابری تولید و مصرف انرژی در تابستان باعث قطع مكرر برق می‌شود و در پی آن آسیبهای زیادی به شبكه و مصرف‌كنندگان وارد می‌شود. گفتنی است با استفاده از سیستم‌های تبرید‌جذبی – به جای سیستم‌های تبرید تراكمی- می‌توان مولفه‌های بار را اصلاح كرد و كمبود انرژی الكتریكی كشور را در وضع كنونی برطرف ساخت. بی‌گمان دستیابی به ترازمندی در تولید و مصرف بدون بكاربردن روشهای مدیریت مصرف اقدامی غیراقتصادی است، زیرا راه دیگر جز كاهش هزینه‌های گزاف خرید و نصب نیروگاههای بزرگ وجود ندارد.
نیروگاههای بزرگی، كه تنها در زمان كوتاهی از سال – هنگام پیك بار سالانه كه تقریباً ۹ درصد از كل زمان بهره‌برداری است- وارد شبكه می‌شوند. یكی از رهیافتها كاربرد سیستم‌های تبرید جذبی است.
●ویژگیهای سیستم‌های تبرید جذبی
۱- برخورداری از روش ساخت ساده نسبت به سیستم‌های تبرید تراكمی
۲- دارای تعداد قطعات متحرك كم، استهلاك، سر و صدا و ارتعاش ناچیز و هزینه تعمیر و نگهداری نسبتاً كمتر
۳- مواد بكار رفته درچیلرهای جذبی
(= آب و لیتیوم بروماید)، نسوز و غیرسمی است و در صورت بروز نشتی، خطرناك نیست، و محیط‌زیست را نمی‌آلاید. رد حالی كه در سیستمهای تبرید تراكمی از CCF ها – مانند فریون- استفاده می‌شود، كه برای لایه ازون زیان‌آور است و محیط‌زیست را می‌آلاید.
۴- صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی الكتریكی به عبارت دیگر سیستم تبرید جذبی نیاز اندكی به انرژی الكتریكی یا مكانیكی دارد. این نیاز حدود ۱ درصد نیاز سیستم‌های تبرید تراكمی است.
۵- انرژی مورد نیاز سیستم‌های جذبی، از نوع حرارتی است كه از هر منبع انرژی (مانند خورشیدی یا ژئوترمال) می‌توان آنرا تامین كرد.
۶- اصلاح ضریب بار شبكه و صاف شدن منحنی بار سالانه، (ویژگی‌های بهبود ضریب بار: رفع مشكلات بهره‌برداری، رفع تنش از واحدهای تولید، افزایش ظرفیت تولید و انتقال وتوزیع، كاهش زیانهای ناشی از خاموشی به شبكه و مصرف‌كنندگان)
۷- حذف جریانهای راه‌اندازی بارهای سنگین ناگهانی، بویژه در ساعتهای پیك، كه باعث ناپایداری شبكه می‌شود.
۸- بی نیازی از نیروگاههای جدید برای تامین بار در ساعتهای پیك
۹- كاهش هزینه برق برای مصرف‌كنندگان
۱۰- بی‌نیازی از نصب خازن
۱۱- آزادسازی ظرفیت بزرگی از توان تولیدی شبكه در بخش خدمات، كه می‌تواند دربخش صنعت مورد استفاده قرار گیرد. به عبارت دیگر اصلاح مولفه‌های بار.
●انباره‌های سرما
یكی از شیوه‌های ترازمند‌سازی جزئی بار استفاده از انباره‌های سرما و گرماست. از انباره‌های سرما می‌توان در اداره‌ها، بیمارستانها، فروشگاههای بزرگ و ساختمانهای بلند استفاده كرد.
بازار پژوهشی سیستم‌های انباره سرما در آمریكا، كه بوسیله اپری (EPRI=) انجام شده، نشان می‌دهد: كاربرد این سیستم می‌تواند پیك بار سرمایی بخش تجاری را تا سال ۲۰۰۰ به اندازه ۱۷ گیگاوات (برابر با ۱۰ درصد) كاهش دهد.
درسال ۱۹۸۶ شركت برق فلوریدا در زمینه گسترش بازار این سیستم درمحدوده كار خود بررسیهای انجام داده است. این شركت ۳۰۰ مشترك را در ۱۴ ساختمان مورد بررسی قرار داده است. نتایج حاصل از بررسیها نشان می‌دهد كه سیستم‌های انباشت با روش جزئی دارای كوتاه‌ترین دوره برگشت سرمایه بوده‌اند. كاهش بار بدست آمده در سال ۲۰۰۱ برای شش گزینه زیر محاسبه شد:
۱- عدم برنامه‌ریزی برای گسترش نصب سیستم انباره سرما
۲- اجرای برنامه‌های آگاهاننده
۳- ضمانت كاركرد انباره‌های سرما از سوی شركت
۴- دهش وامهای كم‌بهره (۲ درصد كمتر از نرخ بهره‌بازار)
۵- ضمانت بازگشت سرمایه (شركت به مشتركانی كه دوره بازگشت سرمایه آنها كمتر از ۷ سال باشد، به اندازه‌ای تخفیف دهد، كه دوره بازگشت سرمایه آنها به ۳ سال بعد كاهش یابد.
۶- تخفیف به مشتركان (به ازای هر یك كیلووات كاهش بار، ۱۰۰ دلار تخفیف داده شود)
۷- نتایج به دست آمده نشان داد، كه گزینه ۶، دهش تخفیف به مشترك، بیشترین تاثیر را درگسترش بازار سیستم‌های انباره سرما داشته است.
گفتنی است شكل منحنی بار شبكه نیز در میزان سود حاصل از بكارگیری سیستم‌های انباره سرما و میزان كاهش بار پیك شبكه موثر است. افزوده می‌شود كه برای استفاده موثر از این سیستم، پیك بار شبكه برق باید با پیك بار سرمایی ساختمانها همزمان باشد.
بنابراین، چنانچه بار سرمایی تاثیر چندانی در تشكیل بار نداشته باشد، كاربرد سیستم انباره سرما محدود می‌شود.
●سیستم انباره سرما
سیستم انباره سرما بر مبنای نوع ماده انبار شونده طبقه‌بندی می‌شود مانند انباره آب یا یخ و یا تغییر حالت (=فاز)، تقسیم‌بندی دوم بر پایه نوع كاركرد سیستم است، كه نقش تعیین ظرفیت سیستم را دارد. گروه یكم: انباشت جزیی، گروه دوم: انباشت با دیماند محدود و گروه سوم: انباشت كامل.
●مواد انباشت سرما
سیستم انباره سرما برای نگهداری سرما به ماده‌ای با ظرفیت حرارتی زیاد نیاز دارد كه حجم (انباشت) زیادی لازم نباشد. آب این ویژگی را داراست. بعلاوه هم ارزان است و هم در دسترس.
بنابراین برای بیشتر سیستم‌های انباشت در ساختمانهای تجاری از آب سرد یا یخ استفاده می‌شود. دیگر مواد انباشت همانند مواد تغییر حالت و تركیبهای جداساز (مخلوط آب و مبردها) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
●سیستم انباشت آب سرد
این سیستم از نوع انباشت گرمای محسوس است، كه از ظرفیت حرارتی آب استفاده می شود.
درحالت كلی، این سیستم، آب را با دمای ۶ درجه صد بخشی یا سانتی گراد تولید می‌كند تا برای سرد كردن ساختمان استفاده شود. سیستم آب سرد به دلیل همانند با سیستم تهویه مطبوع متداول دارای ویژگیهای زیر است:
۱- امكان استفاده از چیلرها، لوله‌كشی و تجهیزات متداول
۲- امكان استفاده ازچیلرهای موجود
۳- آشنایی قبلی مهندسان با نحوه طراحی آنها (شباهت با سیستمهای سرمایی متداول)
سیستم آب سرد كاستیهایی نیز دارد، كه به علت اصلی آن نیاز به مخازن بزرگ انباشت است. كاستیهای سیستم آب سرد را می‌توان چنین برشمرد:
۱- فضای بزرگتر برای استقرار تانك یا مخزن
۲- تلفات حرارتی بیشتر از سطح مخزن
۳- نیاز به ساخت فونداسیون اساسی برای جلوگیری از نشتی
●سیستم انباشت یخ
برای استفاده از ظرفیت انباشت بیشتر می‌توان از آب (در نقش ماده انباشت تغییر فاز یا حالت) استفاده كرد. سیستم انباشت یخ به دو دسته تقسیم می شود: نوع استاتیك و نوع دینامیك
در سیستم استاتیك، یخ روی سطح اواپراتور تشكیل می‌شود و تا زمانی كه به وسیله بار حرارتی ساختمان ذوب شود در آنجا باقی می‌ماند.
در سیستم دینامیك، یخ در اواپراتور تشكیل می‌شود و تا زمان ذوب شدن به وسیله بار حرارتی ساختمان در آنجا باقی می‌ماند. در سیستم دینامیك، یخ در اواپراتور تشكیل می شود و سپس در مخازن نگهداری می شود.
●سیستم استاتیك انباشت یخ
این سیستم را یخ‌ساز می‌گویند و می‌تواند به شكل روباز یا سرپوشیده باشد. در سیستم روباز معمولاً مدبل حرارتی برای جداسازی آب پیرامون یخ و آب بازگشتی ساختمان استفاده می‌شود. از آنجا كه سطح فوقانی مخزن باز است، آب بیرونشد مخزن ممكن است بر اثر گرد و خاك آلوده شود. برای صرفه‌جویی در فضا، مخازن روباز را می‌توان بر روی بام نصب كرد.
در سیستم سرپوشیده، سطح فوقانی مخزن پوشانده می‌شود و بنابراین، مخزن را می‌توان در زیر زمین نصب كرد. در این سیستم، بار سرمایی ساختمان مستقیماً با چرخش آبی كه اطراف یخ دور اواپراتور است تامین می‌شود.
●سیستم دینامیك انباشت یخ
در این سیستم، یخ بر روی سطح اواپراتور تشكیل می‌شود و پس از رسیدن به ضخامت معینی در یك مخزن ذخیره می‌شود. یخ را می‌توان با استفاده از تجهیزات مكانیكی و یاتزریق گاز داغ به داخل ورقه‌های اواپراتور جدا كرد. در بیشتر سیستم‌ها، واحد یخ‌سازی بر روی مخزن نصب می‌شود.
سیستم‌های یخدار نسبت به سیستم‌های آب سرد ویژگیهای زیادی دارند و این ویژگیها به سبب فشردگی سیستم است و اما ویژگیهای این سیستم:
۱- ظرفیت سرمایی بیشتر برای حجم معین
۲- نیاز به فضای كمتر
۳- تلفات حرارتی كمتر
و كاستیهای این سیستم:
۱- محدوده انتخاب سیستم وسیع نیست و بازار رقابتی محدودتری دارد.
بازده چرخه سرمایی به سبب كم بودن دمای مكش، كمتر است.
استفاده از تجهیزات غیراستاندارد باعث افزایش شمار آموزشهای كاركنان و تعمیركاران می‌شود.
●انباشت كامل
در این روش با انتقال انرژی مصرفی از ساعتهای پیك به ساعتهای غیرپیك، هزینه سرمایی به كمترین مقدار خود می‌رسد. در این روش، سیستم سرمایی اصلی در ساعتهای پیك بكار نمی‌افتد و تمام بارهای سرمایی ساختمان از طریق مخزن تامین می‌شود. از آنجا كه كل بار سرمایی روزانه ساختمان باید بوسیله انرژی انباشته در ساعنهای غیرپیك تامین شود، این روش به مخازن بزرگ نیاز دارد. ویژگیها و كاستیهای این روش در زیر برشمرده می‌شود:
●ویژگیها
۱- بیشترین كاهش هزینه برق
۲- استفاده از سیستمهای با كنترل ساده و ارزان
۳- امكان استفاده با سیستم های برودتی موجود
●كاستیها
۱- نیاز به فضای زیاد
۲- نیاز به بیشترین حجم انباشت و تاسیسات
۳- نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر برای تجهیزات و مخزن
در این روش، در همسنجش با سیستمهای سرمایی معمولی یا استاندارد می‌توان حداكثر بار سرمایی ساختمان را به اندازه ۸۰ تا ۹۰ درصد كاهش داد.
●هزینه‌های تعمیرات و نگهداری سالانه
هزینه‌های جاری سالانه سیستم‌های برودتی (باستثنای هزینه‌های برق، آب و گاز طبیعی) شامل هزینه‌های دوره‌ای سالانه (مربوط به تعمیرات و نگهداری) می‌شود.
در میان سیستم‌های مورد بررسی، تنها چیلرهای تراكمی دارای هزینه‌های دوره است. هزینه‌های مزبور كه هر ۵ سال یكبار اتفاق می‌افتد معادل ۵ درصد هزینه خرید چیلر تراكمی در نظر گرفته شده است.
هزینه‌های سالانه كه شامل تعمیرات، سرویس یا نگهداری و شارژ می‌شود، برای سیستم‌های تراكمی با ظرفیت ۱۵۰ تن معادل ۲۵۰۰ هزار ریال است، كه به ازای هر تن افزایش ظرفیت حدود ۱۰ هزار ریال به این هزینه اضافه می‌شود. هزینه‌های مذكور در مورد سیستم‌های جذبی با ظرفیت ۳۰۰ تن یا كمتر معادل ۳۰۰۰ هزار ریال است، كه به ازای هر تن افزایش ظرفیت حود ۱۰ هزار ریال به هزینه‌های مذكور افزوده می‌شود.
●مصرف برق، گاز طبیعی و آب
توان مصرفی انرژی مكانیكی در سیستم‌های تراكمی به ازای هر تن ظرفیت ۹/۰ كیلوولت درنظر گرفته شده است. در سیستم‌های جذبی بین ظرفیت و توان مصرفی نسبت خطی برقرار نیست. برای چیلرهای ۵۰، ۱۰۰، ۱۸۰، ۲۴۰، ۴۱۰ تنی به ترتیب: صفر، ۶، ۹، ۶/۹، ۴/۱۰ كیلووات در نظر گرفته شده است.
هیچیك از سیستم‌ها به استثنای سیستم جذبی، گاز طبیعی مصرف نمی‌كنند. مصرف گاز چیلرهای جذبی به ازای هر تن ظرفیت ۵۷/۰ مترمكعب در ساعت در نظر گرفته شده است. همچنین هیچیك از سیستم‌ها به استثنای كولر آبی مصرف‌كننده آب نیستند و یا مصرف آب آنها بسیار جزیی و قابل جشم‌پوشی است.

مهندس نادر گلستانی‌داریانی

منبع : ماهنامه صنعت برق